EGR 對在用汽油車排放特性的影響

高冬冬 羅馬吉 劉 成 王一男 邱 亮

（1-武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院 湖北 武漢 430070 2-雄創(chuàng)（上海）新能源科技有限公司）

引言

2018年，中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)》指出，全國機(jī)動(dòng)車CO、HC、NOx和PM的污染物排放總量初步核算達(dá)到4 359.7萬t。其中，CO排放為3 327.3萬t，HC排放為407.1萬t，NOx排放為574.3萬t，顆粒物排放為50.9萬t[1]。汽車作為機(jī)動(dòng)車大氣排放污染物的主要承擔(dān)者，其排放的尾氣中，CO和HC排放超過80%，NOx和顆粒物（PM）排放甚至超過90%。

自20世紀(jì)90年代以來，國家制定了綜合排放控制政策和措施，包括實(shí)施新車排放標(biāo)準(zhǔn)、在用車檢查和維護(hù)、提高燃料質(zhì)量、促進(jìn)可持續(xù)交通、發(fā)展替代燃料車輛以及加強(qiáng)交通管理等方面[2]。隨著國家制定的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)逐步加嚴(yán)，對汽車污染物的排放要求也越來越嚴(yán)格。如GB18285-2018 汽油車污染物排放限值及測量方法（雙怠速法及簡易工況法）規(guī)定，自2019年5月1日起，在全國范圍內(nèi)開始實(shí)行新的汽車環(huán)保定期檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[3]，其排放限值比GB18285-2005標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)厲。

廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）是控制在用汽油車排放的一種重要方法[4-5]。其機(jī)理是將汽油機(jī)排出的廢氣中的一小部分返回至氣缸內(nèi)，在汽油機(jī)引入高溫廢氣且不影響新鮮空氣充量的情況下，提高了燃燒質(zhì)量，從而提高了汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性[6-7]。EGR廢氣的加入，極大地降低了汽油機(jī)的NOx排放。研究表明，在火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中，用10%～30%的EGR廢氣實(shí)現(xiàn)了NOx濃度顯著降低[8-10]。然而，EGR的應(yīng)用降低了缸內(nèi)燃燒速率，使得穩(wěn)定燃燒更難以實(shí)現(xiàn)。在燃燒持續(xù)時(shí)間和平均有效壓力穩(wěn)定的情況下，燃油消耗率隨著EGR的增加而降低[11]。本文研究的主要目的是將EGR應(yīng)用于在用汽油車上，改善缸內(nèi)燃燒條件，降低在用汽油車污染物排放，使其符合國家規(guī)定的排放限值標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在雄創(chuàng)（上海）新能源科技有限公司一輛搭載1.4 L四缸水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的在用2006款神龍富康轎車上進(jìn)行。試驗(yàn)在用汽油車的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)燃料為市售的92號汽油。

表1 試驗(yàn)用車發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1為試驗(yàn)裝置示意圖，采集節(jié)氣門信號、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載信號和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號，并輸送給電子控制單元（ECU）。之后，通過控制EGR閥的開度，使進(jìn)入氣缸的廢氣量隨信號而調(diào)整。試驗(yàn)設(shè)備為佛山市南華儀器股份有限公司生產(chǎn)的底盤測功機(jī)和排放測試系統(tǒng)。

圖1 EGR試驗(yàn)裝置示意圖

廢氣再循環(huán)系統(tǒng)采用電控EGR閥，靈敏度高，可準(zhǔn)確控制EGR閥開度。EGR率由進(jìn)氣和排氣過程中的CO2體積分?jǐn)?shù)計(jì)算得出，計(jì)算公式為：

式中：VCO2IN為進(jìn)氣CO2的體積分?jǐn)?shù)；VCO2EX為排氣CO2的體積分?jǐn)?shù)；VCO2為空氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)[12]。

1.2 試驗(yàn)方案

對試驗(yàn)用車進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況法測試，將車輛行駛至測功機(jī)上，按照操作法規(guī)調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪位置。預(yù)熱后，測功機(jī)會(huì)依照車輛整備質(zhì)量自行施加一定荷載，駕駛員控制車輛，按照圖2所示的穩(wěn)態(tài)工況法（ASM）試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)[13-14]進(jìn)行操作。

圖2 穩(wěn)態(tài)工況法（ASM）試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)

試驗(yàn)分為2部分：首先，以EGR閥開度為0、10%、20%、30%等4組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析EGR閥開度對尾氣中CO、HC、NOx排放的影響。試驗(yàn)方法是：EGR閥開度為0時(shí)，進(jìn)行ASM5025工況試驗(yàn)，時(shí)間范圍為0～90s；EGR閥開度為10%、20%、30%時(shí)，進(jìn)行ADM5025和ASM2540工況試驗(yàn)，時(shí)間范圍為0～180s。然后，在ASM5025工況和ASM2540工況等2種工況下，EGR閥的開度分別為0、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%、60%、70%、80%時(shí)，對汽車尾氣中的CO、HC和NOx排放進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 EGR閥開度對在用汽油車尾氣排放的影響

圖3為EGR閥開度對試驗(yàn)用車發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的影響。

圖3 EGR閥開度對試驗(yàn)用車HC、CO和NOx排放的影響

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)態(tài)工況下，HC、CO、NOx排放均有所降低，尤其是NOx排放降低最為顯著。隨著EGR閥開度逐漸增加，CO、HC排放出現(xiàn)不同程度的下降，NOx排放呈現(xiàn)出急劇下降的態(tài)勢。相比于EGR閥開度為10%，EGR閥開度為20%時(shí)，CO排放降低了24.5%；EGR閥開度為10%時(shí)，HC排放稍有上升，EGR閥開度為20%時(shí)，HC排放下降了39.3%；EGR閥開度為20%時(shí)，NOx排放下降高達(dá)74.5%。主要原因是隨著EGR閥開度逐漸增大，進(jìn)入缸內(nèi)的氧含量逐步降低，新鮮充量減少，降低了火焰?zhèn)鞑ニ俾剩紵兊眠t緩，NOx排放量明顯下降。

2.2 ASM5025和ASM2540工況排放分析

表2 為ASM5025 和ASM2540 等2 種穩(wěn)態(tài)工況的排放限值。

表2 ASM5025和ASM2540工況的的排放限值

圖4 為ASM5025 和ASM2540 工況下的排放情況。

從圖4 可以看出，在2 種穩(wěn)態(tài)工況下，EGR 閥開度為0、5%、10%時(shí)，在用汽油車的尾氣排放均未達(dá)標(biāo)，主要是由于NOx排放超標(biāo)所致。當(dāng)EGR閥開度增加時(shí)，NOx排放減少，直到EGR閥開度為80%時(shí)，NOx排放仍然減少。在ASM5025工況下，CO排放在EGR閥開度為60%時(shí)最低，HC排放在EGR閥開度為25%時(shí)最低；在ASM2540工況下，CO排放在EGR閥開度為70%時(shí)最低；HC排放在EGR閥開度為80%時(shí)最低。

圖4 ASM5025和ASM2540工況排放情況

2.3 EGR閥開度對尾氣排放降低百分比的影響

圖5為EGR閥開度對尾氣排放降低百分比的影響。

圖5 EGR閥開度對尾氣排放降低百分比的影響

從圖5可以看出，隨著EGR閥開度不斷加大，CO、HC和NOx排放均出現(xiàn)不同程度的下降。其中，NOx排放平均下降78.7%，最高下降可達(dá)86%。HC排放平均下降37.7%，最高下降可達(dá)42%。CO排放平均下降22.2%，最高下降可達(dá)27%。表明本試驗(yàn)在用汽油車安裝EGR閥后，尾氣中的3項(xiàng)排放指標(biāo)均有所下降，尤其是NOx排放下降幅度很大。

2.4 在用汽油車安裝EGR系統(tǒng)前后排放與排放限值對比

圖6是15輛在用汽油車安裝EGR系統(tǒng)前后排放與排放限值的比較。

圖6 在用汽油車安裝EGR系統(tǒng)前后排放與排放限值對比

從圖6可知，通過對比發(fā)現(xiàn)，絕大部分車型CO排放呈下降趨勢，降低率為3%～86%。極個(gè)別車型CO排放出現(xiàn)小幅度上升，但并不影響排放達(dá)標(biāo)。很大一部分車型HC排放呈下降趨勢，降低率為0～75%，個(gè)別車型HC排放雖有上升，但并不影響排放達(dá)標(biāo)。NOx排放降低率為16%～99%，排放達(dá)標(biāo)。

3 結(jié)論

1）隨著EGR閥的開度不斷增大，CO、HC排放波動(dòng)不大，下降最多的是NOx排放。這是由于隨著EGR閥開度增大，進(jìn)入缸內(nèi)的氧含量平緩下降，缸內(nèi)的最高溫度下降，抑制了NOx的生成。

2）當(dāng)EGR開度為0、5%、10%時(shí)，尾氣排放不達(dá)標(biāo)。原因是NOx濃度過高。隨著EGR開度從15%增大到20%、25%、30%，NOx排放大幅度降低。

3）在用汽油車安裝EGR系統(tǒng)后，NOx排放下降。隨著EGR閥開度的增加，在用汽油車的NOx排放明顯降低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于排放限值。

4）安裝EGR系統(tǒng)后，大部分在用汽油車的CO和HC排放有所下降。